JPH09501491A - Nuclear fuel with improved fission product retention characteristics - Google Patents
Nuclear fuel with improved fission product retention characteristicsInfo
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Abstract
(57)【要約】 分裂生成物を維持するための特性を向上させたUO2、ThO2及び/又はPUO2をベースとする核燃料。該燃料はCrもしくはMoのような、酸素をトラップして金属を含み、超化学量論酸化物(U、Th)O2+X及び/又は(U、Pu)O2+X(0<X≦0.01)のものより小であるか同等である自由生成エンタルピーをもつ酸化物を形成することのできる金属を含む。これによって、U、Th及び/又はPuの分裂の間に放出される酸素原子はトラップされ;このようにして分裂生成物維持水準は上昇し核燃料成分の高い燃焼水準を達成することができる。 (57) [Summary] A nuclear fuel based on UO 2 , ThO 2 and / or PUO 2 with improved properties for maintaining fission products. The fuel contains a metal that traps oxygen, such as Cr or Mo, and has a superstoichiometric oxide (U, Th) O 2 + X and / or (U, Pu) O 2 + X (0 <X ≤ 0.01) and includes metals capable of forming oxides with enthalpies of free formation less than or equal to. This traps the oxygen atoms released during the splitting of U, Th and / or Pu; in this way the fission product maintenance level can be increased and a high burning level of nuclear fuel components can be achieved.
Description
【発明の詳細な説明】 分裂生成物維持特性を向上させた核燃料 本発明は、UO2、ThO2及び/又はPuO2をベースとし、向上した分裂生 成物維持特性を有する核燃料に関する。 酸化物、特に酸化ウランをベースとする核燃料の場合、これらの燃料の使用に よって起きる問題の一つは、原子炉の操作中に燃料成分中の分裂気体が放出され ることが原因である。これは、上記分裂生成物が、シースもしくは缶の内部圧力 及び分裂生成物とシースもしくは缶との相互作用が制限されるように、特に実際 の燃料ペレットのような成分中に封鎖されていなければならないからである。 したがって現在のところ、分裂気体の放出が著しくなる限界点を越えないよう に、核成分の燃焼率がUで50GWj/tに制限されている。 しかしながら、特に、加圧水型原子炉(PWR)のような電気原子炉の操作者 は、60〜70GWj/tUの最小価を達成するためにロッド内に含まれる二酸化ウラ ンペレットの燃焼率を増加させることにより核燃料の制御を最適化することを願 っている。 上記の改善のための研究は、現在までに二酸化ウラン粒子のサイズを増大させ るための操作を用いてきたが、これは照射された大粒子燃料により放出される気 体量が照射された小粒子燃料により放出されるよりも少ないことが判明している ためである。核燃料中に沈殿を形成する操作もまた、分裂気体を上記沈殿に固定 するために使用されている。 二酸化ウラン粒子のサイズを増加させるために、iO、NbO、CrO、Al O、VO及びMgOのような添加剤を、その結晶成長を活性化するために溶解も しくは焼結されることのある二酸化ウラン粉末に加えることは、加えた酸化物の 特性が二酸化ウラン溶液中で維持され、金属原子に還元されないように上記 焼結が湿式水素(wet hydrogen)環境下で行われることを条件にすれば可能であ る。ミクロ構造(microstructure)大粒子を得るための上記のような添加剤の使 用は、例えば、Killeen、Journal of Nuclear Materials,88,1980,177-184頁 、Sawbridgeら、Report CEGB RD/B/N 4866,July 1980 及び Radfordら、Scient ific Paper 81-7D2-PTFOR-P2,1981に記載されている。しかしながら、このタイ プの所定の添加剤の使用は、二酸化ウラン中のカチオン及び分裂気体の拡散係数 を増加させる可能性があり、このことは分裂生成物の維持には望ましくなく、ミ クロ構造大粒子の利点を最大限に生かすことはできない。 核燃料の維持率を向上させるための別の方法は、分裂生成物の固定を確実にす るために、二酸化ウラン粒子中に第二段階のナノ沈殿(nanoprecipitate)を分 散させることからなる。このタイプのナノ沈殿は、Sawbridgeら、Journal of Nu clear Materials,95,1980,119-128頁及び FR−A−2026251に記載 のような酸化マグネシウム含有物からなるものであってもよい。 本発明は、核燃料中の分裂生成物の維持率を向上させるために、これまでに記 載のものとは異なる方法を利用する。本方法は、ウラン及び/又はプルトニウム 原子の分裂により放出される酸素原子をトラップすることからなり、2における 燃料の、M=U+PuもしくはU+ThもしくはU+Pu+ThであるO/U( Th,Pu)もしくはO/M化学量論を維持し、こうして燃料中の拡散係数の増 加及びその熱伝導率の縮小を避けようとするものである。 したがって、拡散係数の増加は、粒子境界での分裂生成物の蓄積に至る機構で あり、やがて上記分裂生成物の放出がおこる。同様に、燃料の熱伝導率の縮小は 、同一の線形パワーについて燃料の温度を増大させ、その結果一方では分裂生成 物の溶解性を減少させ、他方ではこれらの拡散を補助する効果をもつために、不 利である。 本発明はまた、UO2、ThO2及び/又はPuO2をベースとするセラミック 核 燃料内での分裂生成物の維持を向上させるための方法に関し、セラミック核燃料 中に、原子炉の操作温度Tにおいて、化学式(U、Th)O2+x及び/又は(U 、Pu)O2+xで、上記化学式中xは0<x≦0.01であるような超化学量論 酸化物の同一の温度Tにおける自由生成エンタルピーより低い自由生成エンタル ピーを有する酸化物を形成することによって酸素をトラップすることのできる、 少なくとも一の金属を含むことからなるものである。 このような添加剤の使用は、結果として核燃料の上述のO/U(Thもしくは Pu)もしくはO/M比を2の値に保つことを可能にし、このようにすれば拡散 係数の増加を避けて低い値を保ち、燃料の熱伝導率の低下を避けることが可能に なる。したがって、高い分裂生成物維持率が得られる。 本処置は、UO2及び/又はPuO2及び/又はThO2粒子のサイズを増大さ せる既知の方法及び分裂気体の固定のための沈殿を形成する既知の方法と併用す ることができ、このことは非常に興味深く、燃料の性能特性を向上させることが 可能である。 二酸化ウランをベースとする燃料の場合には、0<x≦0.01である超化学 量論酸化物UO2+xの自由生成エンタルピーは、Journal of Nuclear Materials ,130,1985,pp 473-488 に記載のように、酸化電位に表され、LindemerとBesm annの法則に基づいて計算される。この場合で上記文献の480頁に示されるように 上記の超化学量論酸化物の酸化電位△G(O2)は、下式によってJ/moleで表す ことができ、 −360000+214T+4RTLn[2x(1-2x)/(1-4x)2] 上式中、Rは気体のモル定数、Tはケルビンで表示した温度であり、xは上記の 定義通りである。 さらにまた、二酸化ウランをベースとする燃料については、燃料中に含まれる 金属は次式によって定義される酸化電位を有する酸化物を形成することができね ばならず、 △G(O2)=RTLn(pO2) 上式中、Rは気体のモル定数であり、Tはケルビンで表示した原子炉操作温度で p(O2)は部分酸素圧であって、LindemerとBesmannの法則によってUO2+xに ついて上記に評価した値と同等もしくはより小である。適切な金属の例は、Cr 、Mo、Ti、Nb及びUである。 本発明は、酸素をトラップすることのできる少なくとも一の金属が分散され、 上述の特性を有する、UO2、ThO2及び/又はPuO2をベースとするセラミ ック物質を含む原子炉のための燃料にも関する。 本発明によれば、酸化物ベースのセラミック物質は、UO2、ThO2、PuO2 もしくはこれらの混合物、混合酸化物UO2−PuO2もしくはUO2−ThO2 、希土類の酸化物のようなUO2をベースとする混合酸化物及び他の酸化物もし くはPuO2をベースとする混合酸化物によって構成することができる。 上述のように、上記セラミック物質はUO2をベースとし、上記の分散した金 属はUO2+xの酸化電位より低い酸化電位を有する酸化物を形成することができ ることが好ましい。 一般に、60GWj/t-1の燃焼率を得るためには、上記の分散した金属は燃料物 質の0.1〜2重量%を占める。好ましくは、該金属はクロムであって、燃料物 質の0.1〜1重量%、より好ましくは0.2〜0.5重量%を占める。 さらにまた、燃料粒子のサイズを増大させるため及び/又は分裂生成物のつな がりを促進するために、燃料物質はTiO2、Nb2O5、Cr2O3、Al2O3、 V2O5及びMgOのような添加剤を含むことができ、他の特性を向上させるため に例えばSiO2等の他の添加剤も同様に含むことができる。 本発明の燃料物質は、金属の形態もしくは酸化物あるいは酸素化化合物のいず れかの形態の金属に、溶解されるセラミック物質粉末を加えることにより、従来 の焼結もしくは溶解法によって調製することができる。 第1の場合、低温圧縮によって粉末を成形した後、金属を酸化しないように、 例えば0.05体積%以下の水含有量を有する乾式水素環境において焼結を行う 。 第2の場合、UO2、ThO2及び/又はPuO2粒子のサイズ増大を同時に得 ることを望むならば、焼結温度にてUO2、ThO2、PuO2中の酸化物もしく は酸素化化合物を用い、その量としては、溶解度限界(solubility limit)を超 えても超えなくてもよく、焼結の間酸化物を保ち、結晶成長を活性化するために 、湿式のもしくは例えば1体積%以上の水含有量を有するような加湿した水素( humidified hydrogen)の下で、低温圧縮による粉末成形の後に焼結を行う。焼 結の後、焼結された物質は、酸化物もしくは酸素化化合物を金属に還元するため に、例えば0.05体積%以下の水含有量を有するような乾式水素(dry hydrog en)下での還元処理を経る。 第2の場合は、この操作法によって下記のいずれかのミクロ構造大粒子(直径 40μm)を得ることが可能となる: 加えた酸化物もしくは酸素化化合物量が溶解度限界を下回る場合には、粒子内の 、ナノメートルの金属沈殿(直径100nm未満)、 加えた酸化物もしくは酸素化化合物量が溶解度限界を上回る場合には、粒子内の 、ナノメートルの金属沈殿(直径100nm未満)及びミクロメートルの金属沈殿 (直径0.3μm以上)。 しかしながら、第2の場合において、粉末成形に続く低温圧縮により大粒子構 造を同時に得ることを望まないならば、焼結は、同時に酸化物もしくは酸素化化 合物を金属に還元するために、例えば0.05体積%以下の水含有量を有するよ うな乾式水素環境で行う。この場合は、粒子内の、ミクロメートルの金属沈殿が 得られる(直径0.3μm以上)。 これら全ての場合において、例えばペレットを形成するような、低温圧縮によ る粉末の成形は、例えば200〜700MPaの圧力下で、多軸圧縮による従来の 方法によって行うことができる。 熱処理には、1600〜1750℃の温度が通常用いられる。 追加の還元熱処理のある場合には、熱処理は1300〜1750℃の温度にて 行うことができる。 酸化物もしくは酸素化化合物の形態の金属添加剤を含むセラミック物質粉末は 、構成成分の粉末を混合すること、もしくは溶液中に塩の形態で添加剤を含むス リップ(slip)を用いるアトマイズ乾燥(atomization-drying)方法、もしくは ウラン塩と添加剤の塩との共沈により調製することができる。 このように、本発明の方法は、添加される金属の酸素トラップ能だけでなく、 UO2結晶成長を活性化し、燃料内の分裂生成物の維持を向上させるための金属 酸化物の特性を利用することを可能にすることから、非常に興味深いものである 。 本発明の他の特性及び利点は、下記の非限定的記載から、次記のことを示す添 付の図面を参照して知ることができる。 図1、2&3 様々な酸素化化合物の酸化電位(kJ/mol)の変化を温度(℃ )の関数として示す図である。 図4 本発明による燃料物質の顕微鏡写真である。 図5 本発明による燃料物質中にトラップされた酸素原子を示す顕 微鏡写真である。 図6 制御された酸化に従う従来技術の燃料物質の構造比較の目的 で与える顕微鏡写真である。 図7 小粒子構造を有する本発明による燃料物質の顕微鏡写真であ る。 図8 ミクロ構造大粒子を有する本発明による燃料物質の顕微鏡写 真である。 図1は、UO2のLindemerとBesmannの式を基に計算した酸化電位をkJ/moleで 表し、超化学量論酸化物UO2+x及び超化学量論酸化物UO2-xについても同様に して、℃で表した温度の関数として示すものである。 図2は、Cr/Cr2O3対の酸化電位(kJ/mole)の変化を温度(℃)の関数 として示すもので、懸かる温度範囲全域に渡っており、上記酸化物の酸化電位は 図1の超化学量論酸化物UO2+xのものよりも小であることを示すものである。 図3は、MoO2の酸化電位(kJ/mole)の変化を温度の関数として示し、同一 温度における超化学量論酸化物UO2+xのものよりも依然として小であることを 示すものである。 その結果これら二つの成分は、UO2をベースとする燃料物質のための酸素を トラップすることのできる金属として適切であり、下記の実施例は上記二つの成 分のUO2との使用を詳説するものである。全ての実施例において、平均粒子サ イズ0.5〜100μmのUO2粉末を使用する。実施例1 本実施例においては、Crのミクロメーターの金属沈殿と合体したUO2ペレ ットの調製を行う。 UO2粉末100gと2μm以下の平均粒子サイズを有するCr金属粉末0.1g とを混合した後、この混合物を350MPaでの一軸性圧縮によりペレット形態と したが、マトリックス(鋳型)には油圧プレス中で油をさしておいた。上記ペレ ットをモリブデンボート中に置き、乾式水素下で1700℃にて4時間焼結した 。こうしてCrのミクロメーターの金属沈殿をもつUO2ミクロ構造小粒子を与 えた。 図4は、上記の構造を600倍の倍率で示した顕微鏡写真である。上記顕微鏡 写真では、粒子間もしくは粒子内の金属沈殿(白色の粒子)が認められることは 明らかであり、電子回析パターンによりこれら含有物の金属特性が確認された。 酸素をトラップするための上記燃料の作用を確かめるために、純粋酸素の場合 に2.024の平均O/U比を達成することが可能な条件である、0.01体積 %の酸素を有するヘリウム雰囲気中における700℃での熱処理により、ペレッ トの制御付き酸化(managed oxiddation)を行った。 図5は、上述の酸化を経た燃料物質の構造を400倍の倍率で示した顕微鏡写 真である。燃料物質が酸素をトラップし、UO2マトリックスを既に得た相しか ないことが判る。 図6は、比較の目的のため、実施例1と同様であるがクロム添加のない条件の 下で、2.024の平均O/U比を得るために同様の制御付き酸化を経た場合に 得られた、二酸化ウランのペレットを示す。図6は、UO2マトリックス中に不 必要なU4O9が存在することを示している。 このように、図5及び6を比較すれば、金属クロム含有物の、UO2のU4O9 への転化を防ぐ効果を知ることができる。実施例2 本実施例においては、ミクロメートルの金属Cr沈殿をもつUO2ミクロ構造 小 粒子を有する二酸化ウラン核燃料ペレットの調製を行った。 この場合はUO2100gをCr2O3粉末(粒子サイズ2μm以下)0.15gと 混合し、続いてこの混合物からペレットを製剤し、実施例1のように乾式水素雰 囲気の下で焼結した。 この場合は、加えた酸化クロムは乾式水素の下での焼結の間に金属クロムに還 元され、ミクロ構造大粒子を形成するようにUO2の結晶成長を活性化してはい ない。すなわち、金属Cr沈殿をもつミクロ構造小粒子が得られた。図7は、上 記の構造を示す。実施例3 本実施例においては、金属Cr沈殿をもつUO2ミクロ構造小粒子を有する核 燃料の調製を行なった。 UO2150g、溶解クロム塩:(NH4)2CrO40.6g及び蒸留水250g を含むスリップのアトマイズ乾燥による粉末の調製を行った。得られた粉末は、 その後クロム塩をCr2O3に転化させるために、アルミナ実験用管状炉(alumin a laboratory tubular furnace)中アルゴン供給の下(300ml/分)400℃ にて、アルミナボート中で2時間か焼した。 この場合は、クロムの酸素化化合物は、UO2結晶成長の活性剤としてはたら くことのないように焼結の間に金属クロムに還元された。したがって、UO2ミ クロ構造小粒子には、金属クロム沈殿がともに得られた。実施例4 本実施例においては、ナノメートル、ミクロメートルでCrの金属沈殿をもつ UO2ミクロ構造大粒子を有する核燃料の調製を行なった。 実施例3のように(NH4)2CrO41.5g、すなわち1700℃でのUO2 中におけるCr2O3溶解度限界を上回るCr2O3含有量を用いてアトマイズ乾燥 により粉末を調製した。得られた粉末は、実施例3に従って処理され、アルミナ 実験用管状炉中アルゴン供給の下(300ml/分)400℃にて、アルミナボー ト中で2時間か焼した。その後、実施例1のように、これを350MPaでの多軸 圧縮によってペレットの形態にした。その後、これを、クロムを酸化物の形態に 保ち、UO2粒子サイズの増大を促進するために、1.7体積%の水で加湿した 水素環境下で1700℃にて4時間焼結した。 焼結の後、Cr2O3酸化物を金属クロムに還元するために水含有量0.05体 積%を有する乾式水素の下で、1300℃にて5時間、焼き鈍し処理を行った。 焼結の間、Cr2O3を酸化物形態に保つことにより、これを結晶成長のための 活性剤として用いることが可能となり、この方法でミクロ構造大粒子を得、その 後の乾式水素下での焼き鈍し処理によってCr2O3を金属クロムに還元し、続い てナノメートル、ミクロメートルの金属沈殿を得ることが可能となった。 これらの条件の下で得られた物質のミクロ構造は図8に示され、UO2の大粒 子1及びミクロメートルのクロム含有物5を見ることができる。ナノメートルの クロム含有物は、電子回析により示される。実施例5 実施例3のようにアトマイズ乾燥によって、ただし(NH4)2CrO40.2g 、すなわち1700℃でのUO2中におけるCr2O3溶解度限界を下回るCr2O3 当量の含有量を用いて、粉末を調製した。これに続いて、ペレットの形態への 粉末の圧縮、及びクロムを酸化物の形態に保つためのミクロ構造大粒子を得るた めに実施例4のような焼結を行った。これに続いて、Cr2O3を金属クロムに還 元するために実施例4のような焼き鈍し処理を行った。 この場合には、還元の間にミクロメートルの、金属沈殿を形成する過剰なCr2 O3が存在しないことから、UO2ミクロ構造大粒子がCrのナノメートルの金 属沈殿とともに得られた。実施例6 本実施例は、実施例4と同様の操作方法を採用するが、(NH4)2CrO41 .5g及び超微細SiO20.04gを、UO2150gと蒸留水250gを入れたス リップ中で使用した。アトマイズ乾燥により得られた粉末は、実施例4と同様の 条件下で、ペレット形態に圧縮され、その後加湿水素環境下で焼結され、乾式水 素下で焼き鈍し処理を受けた。これにより、金属クロム沈殿をもつUO2ミクロ 構造大粒子及び粒子境界にシリカ相を得た。実施例7 本実施例においては、UO2100g及びMoO30.6gの混合物を金属ウラン ボールジャー(ball Jar)中で共粉砕し、続いて実施例1と同様の条件下でこの 粉末混合物をペレット形態に圧縮及び焼結した。 この場合には、焼結の間にモリブデン酸化物はモリブデンに還元され、UO2 粒子の結晶成長を活性化することは不可能である。したがって、UO2ミクロ構 造小粒子がMoのミクロメートルの金属沈殿とともに得られた。実施例8 UO2150g及びアンモニアパラモリブデン酸塩(NH4)6Mo7O24・4H2 O及び蒸留水250gから構成される水性懸濁液のアトマイズ乾燥により粉末を 得た。その後この粉末を実施例1と同様に処理した。これによりUO2ミクロ構 造小粒子が、ミクロメートル、金属Mo沈殿とともに得られた。Detailed Description of the Invention Nuclear fuel with improved fission product retention characteristics The present invention is UO2, ThO2And / or PuO2Based on, improved splitting It relates to a nuclear fuel having a product maintenance property. In the case of nuclear fuels based on oxides, especially uranium oxide, the use of these fuels One of the problems caused by this is that during operation of the reactor, the split gas in the fuel components is released. It is caused by This is because the fission product is the internal pressure of the sheath or can. And especially as the interaction between the fission products and the sheath or can is limited. This is because it must be blocked in a component such as the fuel pellets of. Therefore, at the moment, do not exceed the critical point where the release of fission gas is significant. In addition, the burning rate of nuclear components is limited to 50 GWj / t in U. However, especially operators of electric nuclear reactors such as pressurized water reactors (PWRs) Is the uranium dioxide contained in the rod to achieve a minimum value of 60-70 GWj / tU. To optimize the control of nuclear fuel by increasing the burning rate of pellets. ing. Research to improve the above has, to date, increased the size of uranium dioxide particles. Has been used to generate the gas emitted by the irradiated large particle fuel. Body mass proved to be less than emitted by irradiated small particle fuel This is because. The operation of forming a precipitate in nuclear fuel also fixes the fission gas to the precipitate. Is used to In order to increase the size of uranium dioxide particles, iO, NbO, CrO, Al Additives such as O, VO and MgO can also be dissolved to activate their crystal growth. Adding to the uranium dioxide powder, which is sometimes sintered, The above properties are maintained in the uranium dioxide solution and are not reduced to metal atoms. It is possible if the sintering is carried out in a wet hydrogen environment. You. Use of additives such as those described above to obtain large microstructure particles. For example, see Killeen, Journal of Nuclear Materials, 88, 1980, pp. 177-184. , Sawbridge et al., Report CEGB RD / B / N 4866, July 1980 and Radford et al., Scient. ific Paper 81-7D2-PTFOR-P2, 1981. However, this Thailand The use of certain additives in the , Which is undesirable for the maintenance of fission products, and It is not possible to take full advantage of the black structure large particles. Another way to improve nuclear fuel retention is to ensure fission product fixation. In order to separate the second stage nanoprecipitate into the uranium dioxide particles. Consists of scattering. This type of nanoprecipitation is described by Sawbridge et al., Journal of Nu. Clear Materials, 95, 1980, pp. 119-128 and FR-A-2026251 It may be composed of a magnesium oxide-containing material such as The present invention has been described so far in order to improve the retention rate of fission products in nuclear fuel. Use a different method than the one listed. The method comprises uranium and / or plutonium Consisting of trapping oxygen atoms released by atom splitting, at 2 O / U of fuel where M = U + Pu or U + Th or U + Pu + Th ( Th, Pu) or O / M stoichiometry, thus increasing the diffusion coefficient in the fuel. It is intended to avoid the addition and the reduction of its thermal conductivity. Therefore, increasing the diffusion coefficient is a mechanism leading to the accumulation of fission products at the grain boundaries. Yes, and eventually the release of the fission product occurs. Similarly, the reduction in fuel thermal conductivity is , Increasing fuel temperature for the same linear power, resulting in fission on the one hand It has the effect of reducing the solubility of the substances and, on the other hand, helping them diffuse. It is profitable. The present invention also relates to UO2, ThO2And / or PuO2Based ceramics Nuclear Method for improving fission product retention in fuel, ceramic nuclear fuel At the operating temperature T of the reactor, the chemical formula (U, Th) O2 + xAnd / or (U , Pu) O2 + xAnd in the above chemical formula, x is super stoichiometry such that 0 <x ≦ 0.01 Free formation enthalpy lower than free formation enthalpy of oxide at the same temperature T Oxygen can be trapped by forming an oxide with a pea, It comprises at least one metal. The use of such additives results in the above mentioned O / U (Th or Pu) or the O / M ratio can be kept at a value of 2, which would allow diffusion It is possible to avoid increasing the coefficient and maintain a low value, and avoid decreasing the thermal conductivity of the fuel Become. Therefore, a high fission product retention rate is obtained. This procedure is UO2And / or PuO2And / or ThO2Increase particle size And known methods of forming precipitates for the fixation of fission gases. This is very interesting and can improve the performance characteristics of the fuel. It is possible. In the case of fuels based on uranium dioxide, superchemistry with 0 <x ≦ 0.01 Stoichiometric oxide UO2 + xEnthalpy of free formation of the Journal of Nuclear Materials , 130, 1985, pp 473-488, as represented by the oxidation potential, Lindemer and Besm. Calculated based on Ann's law. In this case, as shown on page 480 of the above document, Oxidation potential of the above superstoichiometric oxide ΔG (O2) Is expressed in J / mole by the following formula It is possible, -360000 + 214T + 4RTLn [2x (1-2x) / (1-4x)2] In the above equation, R is the gas molar constant, T is the temperature in Kelvin, and x is the above As defined. Furthermore, for fuels based on uranium dioxide, included in the fuel Metals cannot form oxides with an oxidation potential defined by Must △ G (O2) = RTLn (pO2) In the above equation, R is the gas molar constant and T is the reactor operating temperature in Kelvin. p (O2) Is the partial oxygen pressure, which is UO according to Lindemer and Besmann's law.2 + xTo It is equal to or smaller than the value evaluated above. An example of a suitable metal is Cr , Mo, Ti, Nb and U. The present invention provides that at least one metal capable of trapping oxygen is dispersed, UO having the above characteristics2, ThO2And / or PuO2Based ceramics It also relates to fuels for nuclear reactors that contain oxidative substances. According to the invention, the oxide-based ceramic material is UO2, ThO2, PuO2 Alternatively, a mixture thereof, a mixed oxide UO2-PuO2Or UO2-ThO2 , UO such as rare earth oxides2Mixed oxides and other oxides based on Kuha PuO2Can be made of a mixed oxide based on. As mentioned above, the ceramic material is UO.2Based on the above dispersed gold Genus is UO2 + xCan form oxides with an oxidation potential lower than that of Preferably. Generally 60 GWj / t-1In order to obtain the burning rate of It accounts for 0.1 to 2% by weight of the quality. Preferably, the metal is chromium and the fuel It constitutes 0.1-1% by weight of the quality, more preferably 0.2-0.5% by weight. Furthermore, in order to increase the size of the fuel particles and / or to link the fission products. The fuel material is TiO 2 in order to promote the lapping.2, Nb2OFive, Cr2OThree, Al2O3, V2OFiveAnd additives such as MgO can be included to improve other properties. For example, SiO2Other additives such as can be included as well. The fuel material of the present invention is in the form of a metal or oxide or oxygenated compound. Conventionally, by adding a ceramic substance powder to be melted to some form of metal, Can be prepared by the sintering or melting method. In the first case, after compacting the powder by cold compression, so as not to oxidize the metal, For example, sintering is performed in a dry hydrogen environment having a water content of 0.05% by volume or less. . In the second case, UO2, ThO2And / or PuO2Get particle size increase at the same time If desired, UO at sintering temperature2, ThO2, PuO2The oxide inside Is an oxygenated compound, and its amount exceeds the solubility limit. In order to keep the oxide during sintering and activate crystal growth, it may or may not exceed , Wet or moistened hydrogen (eg having a water content of more than 1% by volume) Sintering is performed after powder molding by low temperature compression under humidified hydrogen). Burning After binding, the sintered material reduces the oxides or oxygenated compounds to metals. In addition, for example, dry hydrogen having a water content of 0.05% by volume or less en) go through the reduction process below. In the second case, one of the following microstructured large particles (diameter 40 μm) can be obtained: If the amount of added oxide or oxygenated compound is below the solubility limit, , Nanometer metal precipitation (diameter less than 100 nm), If the amount of oxide or oxygenated compound added exceeds the solubility limit, , Nanometer metal precipitation (diameter less than 100 nm) and micrometer metal precipitation (Diameter 0.3 μm or more). However, in the second case, the powder compaction followed by cold compaction results in a large grain structure. If you do not want to obtain the structure at the same time, sinter the oxide or oxygenate at the same time. In order to reduce the compound to a metal, it has a water content of, for example, 0.05% by volume or less. It is performed in a dry hydrogen environment. In this case, micrometer metal precipitation within the particles Obtained (diameter 0.3 μm or more). In all of these cases, cold compression, such as forming pellets, is used. For example, the powder can be molded by conventional multi-axial compression under a pressure of 200 to 700 MPa. Can be done by any method. A temperature of 1600 to 1750 ° C. is usually used for the heat treatment. If there is an additional reduction heat treatment, the heat treatment is performed at a temperature of 1300 to 1750 ° C. It can be carried out. Ceramic material powders containing metal additives in the form of oxides or oxygenated compounds are , Mixing powders of constituents, or adding additives in the form of salts in solution. Atomization-drying method using a lip, or It can be prepared by coprecipitation of a uranium salt and a salt of an additive. Thus, the method of the present invention not only provides the oxygen trapping ability of the added metal, UO2Metals to activate crystal growth and improve the retention of fission products in the fuel It is very interesting because it makes it possible to take advantage of the properties of oxides . Other characteristics and advantages of the present invention include the following from the non-limiting description below. It can be known by referring to the attached drawings. Fig. 1, 2 & 3 Changes in the oxidation potential (kJ / mol) of various oxygenated compounds with temperature (℃) ) As a function of FIG. 4 is a micrograph of a fuel material according to the present invention. Figure 5 Microscope showing oxygen atoms trapped in the fuel material according to the present invention It is a microscopic photograph. Figure 6 Objective of structural comparison of prior art fuel materials subject to controlled oxidation It is a micrograph given by. 7 is a micrograph of a fuel material according to the present invention having a small particle structure. You. Figure 8 Micrograph of fuel material according to the invention with large microstructured particles Is true. Figure 1 shows UO2The oxidation potential calculated based on Lindemer and Besmann's equation in kJ / mole Represents and superstoichiometric oxide UO2 + xAnd superstoichiometric oxide UO2-xAlso for And as a function of temperature expressed in ° C. Figure 2 shows Cr / Cr2OThreeChange of pair oxidation potential (kJ / mole) as a function of temperature (℃) , Over the entire temperature range of interest, the oxidation potential of the above oxide is The superstoichiometric oxide UO of FIG.2 + xIt is shown to be smaller than that of. Figure 3 shows MoO2The change in the oxidation potential (kJ / mole) of p. Superstoichiometric oxide UO at temperature2 + xThat it is still smaller than It is shown. As a result, these two components are2Oxygen for fuel materials based on Suitable as a metal that can be trapped, the example below shows the two Minute UO2It details the use with. In all examples, the average particle size UO of 0.5 to 100 μm2Use powder.Example 1 In this example, UO combined with a Cr micrometer metal precipitate.2Pele Prepare the kit. UO2100 g of powder and 0.1 g of Cr metal powder having an average particle size of 2 μm or less After mixing and, the mixture was made into pellet form by uniaxial compression at 350 MPa. However, the matrix (mold) was oiled in a hydraulic press. Pele above Put in a molybdenum boat and sinter under dry hydrogen at 1700 ° C. for 4 hours. . Thus UO with micrometer metal precipitation of Cr2Gives microstructured small particles I got it. FIG. 4 is a micrograph showing the above structure at a magnification of 600 times. Above microscope In the photograph, metal precipitation (white particles) between particles or within particles is not observed. Obviously, the electron diffraction pattern confirmed the metallic properties of these inclusions. To verify the action of the above fuels to trap oxygen, in the case of pure oxygen 0.01 volume, which is a condition that can achieve an average O / U ratio of 2.024. The heat treatment at 700 ° C. in a helium atmosphere containing 10% oxygen results in a pellet. A controlled oxidation of the oxidase was performed. FIG. 5 is a microscope image showing the structure of the fuel material that has undergone the above-mentioned oxidation at a magnification of 400 times. Is true. Fuel substance traps oxygen, UO2Only the phase that has already obtained the matrix I know there isn't. For comparison purposes, FIG. 6 is similar to Example 1 but without the addition of chromium. And under similar controlled oxidation to obtain an average O / U ratio of 2.024 The obtained pellet of uranium dioxide is shown. Figure 6 shows UO2Not in the matrix Required UFourO9Is present. Thus, comparing FIGS. 5 and 6, UO2UFourO9 You can know the effect of preventing the conversion to.Example 2 In this example, UO with micrometer metallic Cr precipitates2Micro structure small Preparation of uranium dioxide nuclear fuel pellets with particles was performed. In this case UO2100 g of Cr2OThree0.15 g of powder (particle size 2 μm or less) Mix and then formulate pellets from this mixture and dry as in Example 1 in a dry hydrogen atmosphere. Sintered under atmosphere. In this case, the added chromium oxide is converted back to metallic chromium during sintering under dry hydrogen. UO to form microstructured large particles2Activates the crystal growth of Absent. That is, microstructured small particles having a metal Cr precipitate were obtained. Figure 7 above The structure of the above is shown.Example 3 In this example, UO with metallic Cr precipitation2Nuclei with microstructured small particles The fuel was prepared. UO2150 g, dissolved chromium salt: (NHFour)2CrOFour0.6g and distilled water 250g Powders were prepared by atomizing and drying the slips containing. The powder obtained is Then chromium salt is added to Cr2OThreeAlumina laboratory tube furnace (alumin a laboratory tubular furnace) under argon supply (300 ml / min) 400 ° C Calcination in an alumina boat for 2 hours. In this case, the oxygenated compound of chromium is UO.2Acting as a crystal growth activator Intactly reduced to chromium metal during sintering. Therefore, UO2Mi A small amount of chromium structured particles was obtained together with a metallic chromium precipitate.Example 4 In this embodiment, the metal precipitation of Cr is nanometer and micrometer. UO2Preparation of nuclear fuel with microstructured large particles was performed. As in Example 3, (NHFour)2CrOFourUO at 1.5g, ie 1700 ° C2 Cr in2OThreeCr exceeding the solubility limit2OThreeAtomize dry using the content To prepare a powder. The powder obtained is treated according to example 3 to give alumina. In an experimental tubular furnace, under an argon supply (300 ml / min) at 400 ° C., alumina bow Calcined in the oven for 2 hours. Then, as in Example 1, this was multi-axial at 350 MPa. It was in the form of pellets by compression. After that, turn this into chromium oxide form Keep it, UO2Humidified with 1.7% by volume of water to facilitate particle size increase Sintering was performed at 1700 ° C. for 4 hours in a hydrogen environment. After sintering, Cr2OThreeWater content of 0.05 to reduce oxides to metallic chromium Annealing treatment was carried out at 1300 ° C. for 5 hours under dry hydrogen with a product%. Cr during sintering2OThreeTo keep it in the oxide form for crystal growth. It becomes possible to use it as an activator, and by this method, microstructure large particles are obtained. Cr after the subsequent annealing treatment under dry hydrogen2OThreeIs reduced to metallic chromium, followed by It is now possible to obtain nanometer and micrometer metal precipitates. The microstructure of the material obtained under these conditions is shown in FIG.2Large grain of The child 1 and the micrometer chromium inclusions 5 can be seen. Nanometer Chromium inclusions are shown by electron diffraction.Example 5 By atomizing and drying as in Example 3, except (NHFour)2CrOFour0.2 g , Ie UO at 1700 ° C2Cr in2OThreeCr below solubility limit2OThree Powders were prepared with equivalent contents. Following this, the pellet form Compacted powder and obtained large microstructured particles to keep chromium in oxide form Therefore, sintering as in Example 4 was performed. Following this, Cr2OThreeReturned to metallic chrome The annealing treatment as in Example 4 was performed for the purpose. In this case, excess Cr, which forms micrometer metal precipitates during reduction,2 OThreeDoes not exist, so UO2Gold with microstructure large particles of Cr nanometer Obtained with genus precipitation.Example 6 This example adopts the same operation method as in Example 4, except that (NHFour)2CrOFour1 . 5g and ultrafine SiO20.04 g to UO2Soot containing 150g and 250g distilled water Used in the lip. The powder obtained by atomizing was the same as in Example 4. Under conditions, compressed into pellet form, then sintered in a humidified hydrogen environment, dry water It was annealed under the atmosphere. This allows UO with metallic chromium precipitation2micro A silica phase was obtained at the structured large particles and grain boundaries.Example 7 In this embodiment, UO2100g and MoOThree0.6 g of the mixture of uranium metal Co-milling in a ball jar followed by this under the same conditions as in Example 1. The powder mixture was pressed and sintered into pellet form. In this case, during sintering the molybdenum oxide is reduced to molybdenum,2 It is not possible to activate grain crystal growth. Therefore, UO2Micro structure Small particles were obtained with Mo micrometer metal precipitation.Example 8 UO2150 g and ammonia paramolybdate (NHFour)6Mo7Otwenty four・ 4H2 A powder is obtained by atomizing and drying an aqueous suspension composed of O and 250 g of distilled water. Obtained. This powder was then treated as in Example 1. This makes UO2Micro structure Small particles were obtained with micrometer, metallic Mo precipitation.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 フラマトム フランス国 92400 クルブボワ プラス ドゥ ラ クポル 1 トゥール フィ ア (72)発明者 ドゥオー,フィリップ フランス国 38320 エイバン アレ デ アーセル 10 (72)発明者 ペール,ヴェロニク フランス国 26300 ブルグ―ドゥ―ペア ジュ レジダンス ル クロス―ド イセ ル リュ ドゥ ダンケルク 1────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (71) Applicant: FRAMATOM France 92400 Courbevoie Plus Draukpol 1 Tourfi A (72) Inventor Duo, Philip France 38320 Avan Arede Assel 10 (72) Inventor Pale, Veronique France 26300 Burg-du-Pair Jure Residence Le Cross-Doyse Le Ryu de Dunkirk 1
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